زمانیکه که جریان الکتریکی، از یک هادی نظیر یک کابل یا سیم رد بشود، میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی در آن تشکیل می‌گردد که به آن میدان الکترومغناطیسی می‌گویند. یک هادی در بر گیرنده جریان، در محیط پیرامونش، میدان مغناطیسی تشکیل می‌‌دهد. این میدان، قطب جنوب و شمال دارد که جهت این قطب‌ها، بر طبق جهت جریان در هادی است. در ادامه این مقاله همراه ما باشید تا به توضیح اینکه شار مغناطیسی چیست و همینطور فرمول شار مغناطیسی و یکای آن بپردازیم.

 

_{مغناطیس در طبیعت}

یک مثال مناسب در این باره، ساخت قطب‌نما با کمک یک سوزن است. برای اغلب کاربرد‌های عملی، از سنگ‌های طبیعی مغناطیسی بهره‌برداری نمی‌شود، به ایم دلیل که امروزه، آهنربای ساخته شده توسط انسان را می‌شود در اشکال گوناگون، ابعاد یا حتی شدت آهنربایی متمایز ساخت.

در شکل کلی دو گونه «آهنربا» وجود دارد. یکی "آهنربای دائم" و دیگری گونه "آهنربای موقت" است که باتوجه به کاربرد، از هر کدام بهره‌برداری می‌شود. مدل‌های گوناگونی از فلزات نظیر نیکل، آهن، آلیاژ‌های نیکل، کروم یا کبالت را می‌شود جهت ساخت آهنربا به کار گرفت. اغلب فلزات نظیر کبالت و نیکل در وضع طبیعی ویژگی مغناطیسی خیلی کمی دارند.

 اگر کار کردن با مولتی متر را بلد نیستید، پیشنهاد می شود مقاله طرز کار با مولتی متر بخوانید.

 

 

زمانی که این گونه از فلزات با هم ترکیب گردند، آلیاژ ایجاد می‌کنند. این آلیاژها، نظیر آلیاژ آلومینیوم پراکسید یا آهن، ویژگی آهنربایی خیلی زیادی دارند؛ نظیر: آلنی، آلنیکو، آلکومکس.

مواد مغناطیسی در وضعیت غیر مغناطیسی خودشان، آرایش مغناطیسی مولکولی اندکی دارند. می‌شود گفت: آرایش مولکولی مغناطیسی این دست از مواد، آهنربا‌هایی در جهات گوناگون و به شکل تصادفی است که در کلیت اثر همدیگر را خنثی می‌نمایند. چرا که هر آهنربای مولکولی تلاش می‌نماید تا اثر آهنربای مجاورش را به نوعی خنثی نماید.

زمانیکه ماده، مغناطیسی می‌گردد، این آرایش تصادفی مولکول‌ها درش تغییر ایجاد می‌شود و آهنربا‌های کوچک مولکولی هم‌ مسیر می‌شوند. از هم افزایی این آهنربا‌های کوچک یک نوع از آهنربای بزرگ ایجاد می‌شود. ایده هم‌ مسیر شدن آهنربای مولکولی در مواد فرومغناطیس، «تئوری وبر» (Weber Theory) شهرت دارد و در شکل زیر نمایان است. 

برای آشنایی با تلرانس، مطالعه مقاله تلرانس چیست را پیشنهاد می کنیم. 

 

جهت مولکول‌ های مغناطیسی در یک قطعه آهنی و یک آهنربا

تئوری وبر این را می‌گوید که، تمامی اتم‌ها، به خاطر اسپین الکترون‌های آن‌ها، مزیت مغناطیسی دارند. مواد مغناطیسی از دسته‌ای از آهنربا‌های کوچک مولکولی در کنار یکدیگر ایجاد می‌شوند. در مواد مغناطیسی شده، اغلب آهنربا‌های کوچک مولکولی هم‌ مسیر هستند. هر ماده مغناطیسی، در یک سوی قطب شمال و در سوی دیگر قطب جنوب داراست. به همین جهت، در موادی که ویژگی مغناطیسی ندارند، آهنربا‌های کوچک مولکولی، چیدمان تصادفی پیدا می‌کنند. به شکلی که هر آهنربای مولکولی، ویژگی آهنربایی مولکولی مجاورش را خنثی می‌نماید. به ناحیه‌ای که در آن، آهنربا‌های مولکولی در کنار همدیگرند، «حوزه» (Domain) می‌گویند.

هر نوع ماده مغناطیسی، باتوجه به درجه هم ‌جهت بودنشان حوزه‌های مغناطیسی درون آن (که به کمک اسپین الکترون اتم‌ها و اوربیتال‌ها، تشکیل می‌شوند) میدان مغناطیسی تشکیل می‌دهند. این درجه از هم‌ سو بودن با یک کمیت به اسم«مغناطیس‌کنندگی» (M) شهرت دارد.

در یک ماده که مغناطیسی نیست، مقدار مغناطیس‌کنندگی مساوی صفر است (M=۰). اگر یک میدان مغناطیسی به یک ماده غیر مغناطیسی اعمال نماییم تا آن ماده به صورت مغناطیسی گردد و بعد این میدان را حذف نماییم، همچنان در بعضی حوزه‌ها، آهنربا‌های الکتریکی، هم‌ جهت می‌مانند. باتوجه به نوع ماده، این میدان‌ها یا اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند یا هم‌جهت هستند. این ویژگی که ماده این توانایی را دارد تا خاصیت مغناطیسی خودش را حفظ نماید «پایداری مغناطیسی» (Retentivity) نامیده می‌شود.

موادی که پایداری مغناطیسی در آن‌ها بالاست، بهترین مواد برای تولید آهنربا هستند. موادی که پایداری مغناطیسی پایین‌تری دارند و در از دست دادن خاصیت مغناطیسی سرعت بالایی دارند، برای ساخت رله بهره‌برداری و یا ساخت سلونوئید مورد استفاده قرار می‌گیرند. اگر در مورد رله بهره‌برداری اطلاعاتتان زیاد نیست.

برای اشنایی با کارکرد رله مقاله رله چیست را مطالعه نمایید. 

 

شار مغناطیسی چیست ؟

تعریف شار مغناطیسی (مفهوم شار مغناطیسی): همه آهنرباها، مستقل از شکلی که دارند، از دو ناحیه برخوردارند. این دو ناحیه، قطب‌های آهنربا را می‌سازند. خاصیت مغناطیسی، هم در درون آهنربا و هم در بیرون آن موجود است. این ویژگی، نظیر یک زنجیره مشخص و خطوطی نامرئی با شکلی معین است. این خطوط، به «خطوط شار» (Line of flux) شهرت دارد. به عبارت دیگر فارغ از شکلی که برای آهنربا‌ها می‌توان تصور کرد، تمامی این اجسام، دو ناحیه دارند؛ این دو ناحیه همان قطب‌های آهنربا را تشکیل داده‌اند. مهم‌ترین خاصیتی که آهنربا به واسطه داشتن قطب‌ها از آن برخوردار شده، خاصیت مغناطیسی است؛ این خاصیت، در درون آهنربا و در خارج از آن برقرار بوده، زنجیره‌ای است، شکل مشخصی دارد و با چشم دیده نمی‌شود. از این خطوط به خطوط شار یاد می‌کنند. 

خطوط شار میدان مغناطیسی (میدان برداری)، با چشم غیر مسلح دیده نمی‌شود. ولی اگر روی یک صفحه کاغذ، یک آهنربا بگذاریم و سپس براده‌های آهن را روی آن بریزیم، این براده‌ها، به سمت قطب شمال و جنوب آهنربا جذب می‌گردد. سپس با حرکت دادن قطب‌نما اطراف آهنربا هم، می‌توان قطب‌های شمال و جنوب را ردیابی کرد.

اگر طرز کار مولتی متر را نمیدانید پیشنهاد می شود مقاله مولتی متر چیست بخوانید.

 

اگر درباره اصطلاحات برق به دنبال اطلاعات بیشتری هستید مطالعه مقاله اصطلاحات برق را به شما پیشنهاد می کنیم.

 

میدان‌های شار مغناطیسی اغلب به شکل خطوط نیرو نمایش داده می‌شود. این میدان در نزدیکی قطب‌ها، زیادترین مقدارش را دارد. خطوطی که شدت و جهت میدان مغناطیسی را نمایان می‌کند، «خطوط نیرو» (Lines of Force) یا به شکل کلی‌تر، شار مغناطیسی مشهور است. شار مغناطیسی با نماد Φ. نشان داده می‌شود و واحد اندازه گیری شار مغناطیسی ماکسول است.

خطوط نیرو اطراف یک آهنربای میله‌ای

همانطور که در شکل زیر آمده است، میدان شار مغناطیسی در نزدیکی قطب‌های آهنربا زیادترین مقدار خودش را داراست، چرا که چگالی خطوط در این بخش بیشتر است. جهت شار مغناطیسی اغلب از قطب شمال (N) به سوی قطب جنوب (S) است. این خطوط میدان مغناطیسی، حلقه‌های بسته‌ای ایجاد می‌کنند که قطب شمال آهنربا را ترک می‌نماید و به قطب جنوب آن وارد می‌گردد.

هرچند، شار مغناطیسی، از قطب شمال به قطب جنوب نمی‌رود، زیرا شار مغناطیسی به شکل ایستا در سمت آهنربا موجود است. زمان رسم خطوط نیرو می‌بایستی به نکته‌های زیر نیز توجه داشت:

1. خطوط نیرو به هیچ وجه همدیگر را قطع نمی‌کنند.
2. خطوط نیرو پیوسته هستند.
3. خطوط نیرو حلقه‌ای بسته اطراف آهنربا تشکیل می‌دهد.
4. خطوط نیرو اغلب از قطب شمال شروع و در قطب جنوب تمام می‌شوند.
5. خطوط نیرو با فاصله اندکی، نشان‌دهنده میدان مغناطیسی بسیار قوی هستند.
6. خطوط نیرو با فاصله زیاد از همدیگر، بیان کنند میدان مغناطیسی بسیارضعیف هستند.

نیرو‌های مغناطیسی نظیر نیرو‌های الکتریکی، همدیگر را دفع یا جذب می‌کنند. زمانیکه دو میدان مغناطیسی در کنار هم داشته باشیم یکی از دو موارد زیر رخ می‌دهد:

 

 

• زمانیکه که دو قطب مجاور یکدیگر، همنام هستند (دو قطب شمال در کنار یکدیگر یا دو قطب جنوب در کنار یکدیگر)، میدان‌های مغناطیسی همدیگر را دفع می‌نمایند.
• زمانی که دو قطب کنار هم، ناهمنامند (قطب شمال و جنوب در کنار یکدیگر)، میدان‌های مغناطیسی همدیگر را جذب می‌نمایند.

میدان‌ های شار مغناطیسی در نزدیکی قطب‌ های همنام و ناهمنام

موقع ترسیم میدان‌های مغناطیسی قطب‌نما، شاهد ترک خطوط نیرو از قطب شمال و ورود به قطب جنوب خواهید بود. ذکر این نکته لازم است که حرارت و یا برخورد چکش به آهنربا باعث از دست رفتن میدان مغناطیسی می‌شود، اما شکستن آهنربا، بر خاصیت مغناطیسی هیچ تأثیری ندارد.  قطب‌های مغناطیسی همیشه به صورت جفت وجود دارد. به طور مثال اگر یک آهنربای میله‌ای را نصف نماییم، باز هم دو قطبی خواهیم داشت.

در اصل، بدون در نظر گرفتن این که چند بار این آهنربا به طور متوالی تقسیم شده است، باز هم در هر آهنربا، یک قطب شمال و یک قطب جنوب داریم. به عبارتی دیگر حتی اتم‌های منفرد، خود، نظیر آهنربا‌های کوچکی عمل می کنند. این همان بازتاب معادلات ماکسول است که می‌گوید بار الکتریکی مثبت و بار الکتریکی منفی از همدیگر جدا شده وجود دارد، ولی تک قطبی مغناطیسی به هیچ وجهی وجود ندارد.

اگر میخواهید در مورد ولتاژ اطلاعات کسب کنید، مطالعه مقاله ولتاژ چیست میتواند مفید باشد.

 

چگالی شار مغناطیسی

در ادامه به واحد شار مغناطیسی و روابط شار مغناطیسی می پردازیم. در تعریف روابط شار مغناطیسی باید گفت خطوط نیرو یا شار مغناطیسی (Φ) به افتخار «ویلهلم ادوارد وبر» (Edward Weber) با واحد وبر (Wb) شناخته می‌شود. تعداد خطوط گذرنده از یک ناحیه معین، «چگالی شار مغناطیسی» نام دارد.

فرمول روابط شار مغناطیسی: فرمول چگالی شار مغناطیسی به شکل حاصل تقسیم شار مغناطیسی (Φ) به سطح شار عبوری (A) تعریف می‌شود. واحد بین المللی چگالی شار مغناطیسی (B) وبر به متر مربع (Wb/m۲) است. به افتخار نیکولا تسلا این واحد به نام تسلا (T) نیز شناخته می‌شود. بنابراین: ۱T=۱Wb/m۲.

 

 

 

تفاوت بین میدان مغناطیسی و شار مغناطیسی چیست؟

میدان مغناطیسی در مقابل شار مغناطیسی قرار دارد. اما شار مغناطیسی چه نوع کمیتی است؟ همان‌طور که بیان شد شار مغناطیسی کمیتی نرده‌ای است که جهت نداشته ولی برای محاسبه آن به جهت میدان مغناطیسی و همچنین نیم خط عمود بر سطح نیاز دارد؛ بنابراین اگر میدان مغناطیسی موازی و هم راستا با سطح مورد نظر باشد، شار مغناطیسی نمی‌تواند از سطح عبور ‌کند و در صورتی که میدان مغناطیسی بر سطح عمود باشد، شار مغناطیسی به صورت بیشنه است.

اما میدان مغناطیسی همان خطوط مغناطیسی است که در فضای اطراف یک جسم مغناطیسی با یک ترتیب خاص قرار دارد. توجه داشته باشید که این خطوط مغناطیسی در یک منطقه معین به وسیله شار مغناطیسی توصیف می‌شوند. همواره نیروها برای جابه‌جا کردن بارهای الکتریکی معمولاً در اطراف این میدان‌های مغناطیسی وارد شده و ذرات شارژ شده در راستای خطوط مغناطیسی منحرف می‌شوند. معمولاً به دلیل شباهت زیادی که بین مفاهیم مرتبط با میدان مغناطیسی و شار مغناطیسی وجود دارد، اکثر افراد برای فهمیدن این مطالب سردرگم می‌شوند.

خطوط مغناطیسی، دارای چگالی بوده و با استحکام میدان مغناطیسی، رابطه مستقیم دارد؛ یعنی، هرقدر قدرت میدان بیشتر باشد، تراکم خطوط شار نیز بالاتر خواهد بود. در ضمن، هر چه به قطب‌های آهنربا نزدیک‌تر می‌شویم، تراکم خطوط افزایش و هر چه از آن‌ها فاصله بگیریم، تراکم نیز کاهش پیدا می‌کند. چگالی خطوط مغناطیسی یکی از پارامتر‌هایی است که برای توصیف میدان مغناطیسی به کار برده می‌شود.

جهت کسب اطلاعات کامل‌تر در این رابطه، مقاله انواع جعبه فیوز را مطالعه کنید. 

شما می‌توانید نیرویی که به وسیله یک ذره با بار متحرک در امتداد یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود را از طریق معادله زیر به دست آورد:

F = qvXB = qvB

در این معادله اگر بار ذرات را q در نظر بگیریم، v سرعت این ذرات و B بردار شار مغناطیسی است.

برای به دست آوردن رابطه بین میدان مغناطیسی و شار مغناطیسی می‌توانید از معادله زیر استفاده کنید:

B = uxH = uH

که در این معادله B شار مغناطیسی، H چگالی میدان مغناطیسی و u مقدار نفوذ پذیری محیط است.

یک معادله دیگر هم برای به دست آوردن رابطه بین میدان مغناطیسی و شار مغناطیسی وجود دارد که عبارت است از:

شار مغناطیسی = BA = BXA

 

 

در این معادله B میدان مغناطیسی و A ناحیه عمود بر میدان مغناطیسی است.

همان طور که بیان کردیم شار مغناطیسی کمیتی فیزیکی است و هرگاه از یک مسیر بسته با مساحت A میدان مغناطیسی B عبور کند؛ فرمول شار مغناطیسی برابر است با:

Φ= ∬B⋅ɗS

چنانچه میدان مغناطیسی مستقل از سطح مقطع و به صورت یکنواخت باشد، معادله به این صورت خواهد شد:

Φ=BA cosθ

در این معادله B میدان مغناطیسی و A مساحت سطح مقطع است.

شار مغناطیسی به چه عواملی بستگی دارد:

بعد از آنکه با تعریف شار مغناطیسی (شار مغناطیسی به چه معناست) آشنا شدیم، حال نوبت به آن است تا در مورد این سؤال مهم که شار مغناطیسی به چه عواملی بستگی دارد، نکاتی ارائه گردد. این عوامل به شرح زیر هستند:

• هر زمانی که اندازه میدان مغناطیسی با تغییراتی مواجه شود، شار نیز تحت تأثیر قرار خواهد گرفت. این رابطه یک رابطه مستقیم است؛ یعنی، هر زمان که اندازه میدان افزایش پیدا کند، میزان شار نیز زیاد می‌شود. 
• مساحت نیز از دیگر عوامل تأثیر‌گذار بر شار مغناطیسی است؛ این جمله به این معناست که اگر مساحت زیاد شود، میزان شار نیز افزایش پیدا می‌کند.

تغییر زاویه بین میدان و پیچه نیز بر شارژ مغناطیسی اثرگذار است و باعث تغییر آن می‌شود. برای دریافت و تکمیل اطلاعات در این حوزه، مقاله روشهای جدید برق کشی ساختمان را مطالعه کنید. مدیران سایت ونوس گروپ، تمام تلاش خود را به کار می‌گیرند تا دقیق‌ترین اطلاعات در این حوزه در اختیار کاربر قرار گیرد.

 

در آخر...

برای جمع بندی این موضوع مثالی از چگالی شار را باهم می‌بینیم:

مقدار شار موجود در یک آهنربای استوانه‌ای به اندازه ۰.۰۱۳ وبر است. اگر قطر استوانه ۱۲ سانتی‌متر باشد، چگالی شار را بیابید.

حل: سطح مقطع شار گذرنده از این آهنربا همان مساحت دایره است، پس:

A=π×r۲=۳.۱۴۲×۰.۰۶۲=۰.۰۱۱۳m۲

شار مغناطیسی برابر ۰.۰۱۳ وبر است بنابراین چگالی شار عبارت است از:

B=ΦA=۰.۰۱۳۰.۰۱۱۳=۱.۱۵T

در نتیجه، چگالی شار برابر ۱.۱۵ تسلا است و همینطور یکای شار مغناطیسی برابر تسلا در مترمربع خواهد بود که مترمربع یکای مساحت می‌‌باشد.

 

برخی از سوالات متداول

1. شار مغناطیسی چیست؟

شار مغناطیسی کمیتی نرده‌ای است که جهت نداشته ولی برای محاسبه آن به جهت میدان مغناطیسی و همچنین نیم خط عمود بر سطح نیاز دارد؛ بنابراین اگر میدان مغناطیسی موازی و هم راستا با سطح مورد نظر باشد، شار مغناطیسی نمی‌تواند از سطح عبور ‌کند و در صورتی که میدان مغناطیسی بر سطح عمود باشد، شار مغناطیسی به صورت بیشنه است.

2. یکای شار مغناطیسی چیست؟

یکای شار مغناطیسی برابر تسلا در مترمربع خواهد بود که مترمربع یکای مساحت می‌‌باشد.